新的页岩气多级压裂水平井产能预测模型研究

压裂水平井是快速高效开发页岩气储层和致密储层气藏的方法,而多级压裂水平井裂缝形态的复杂性是决定页岩气产能预测成败的关键技术的指标。目前能够经济、快速地获得页岩气藏压裂水平井产能的方法很少。基于此,采用裂缝形态为"主裂缝与网络裂缝的综合"这种情况,建立页岩气三孔线性流数学模型并求得拉式空间下产量解析解,得到新的页岩气井产量典型曲线,该曲线包括裂缝线性流、过渡流、基质线性流、边界流四个流动阶段。根据我国页岩气藏的地质特点,建立了新的页岩气多级压裂水平产能预测模型,其中裂缝线性流为主裂缝与裂缝网络系统的共同作用,通过对比新模型与双孔线性流模型典型曲线,发现二者的流动阶段一致,但三孔线性流模型较双孔模型产量高,说明主裂缝一定程度上增大了页岩气井产量,在压裂施工设计时,应尽可能压开主裂缝,同时诱导更多裂缝网络的形成。三孔线性流模型的建立为该类型裂缝形态页岩气多级压裂水平井提供了产能预测和分析模型。     

油气藏水力压裂计算模拟技术研究现状与展望

水力压裂技术是油气藏尤其是页岩气开发中的核心技术,利用数值模拟方法进行压裂优化和产能预测又是水力压裂成功的关键。本文首先介绍了水力压裂技术的发展历程。然后从计算模型(二维模型、拟三维模型和全三维模型)和数值模拟方法(基于连续介质和基于非连续介质)两方面对油气藏开发领域的水力压裂计算模拟技术进行较全面的总结。最后,从以下3个方面指出现今研究的不足并提出了进一步的研究建议:(1)全三维模型的完善-全三维模型应当与真实的工程参数和监测数据结合,用于校正模型本身,而校正后的全三维模型又可预测和优化新的现场水力压裂作业; (2)数值模拟方法的选用-已有的水力压裂数值模拟方法种类繁多,需要针对各种方法的适用范围、计算效率和模拟效果等,进行全面的比较和优化; (3)页岩储层中天然裂缝网络的数值模拟-天然裂隙网络加剧了页岩储层力学性质的各向异性,同时水力裂缝沟通天然裂缝活化扩展是有利于储层的增渗增产,对压裂缝网的形态、尺寸和连通率等起着至关重要的作用。因此,数值计算过程中综合考虑页岩储层中天然裂缝与水力裂缝的相互作用,将是未来水力压裂模拟的热点。     

页岩气水平井产能预测数值模型综述

页岩气的规模开采已逐步实现高产和稳产,作为替代能源弥补油气能源短缺成为可能。页岩储层致密,微纳米孔发育,具有吸附解吸特征和扩散、滑脱效应。同时天然裂缝、层理等发育,水平井体积压裂后水力裂缝不规则扩展,具有多场耦合跨尺度流动效应。其产能预测困难且不确定性大,制约着页岩储层的高效开发和评价。考虑页岩气多尺度多重输运特征,综述了基于双重介质模型、多重介质模型以及复杂缝网模型的页岩气水平井产能预测数值模型的研究发展现状。认为双重介质和多重介质产能模型均弱化了页岩储层压后开采时复杂缝网系统提供的庞大的可渗流面积和通道,不能综合表征页岩气全尺度多重耦合运输特征。而基于复杂缝网的页岩气水平井产能预测数值模型提供了多尺度流动嵌入的缝网系统,解决流动系统性的同时又精确表征了各尺度流动。产能可靠预测需要获得符合储层地质特征、岩石力学行为、高压流体冲击流固耦合作用机理的复杂缝网形态表征。缝网表征是页岩气水平井产能预测的关键。     

裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响

低渗透页岩气藏中,气体渗流时会受滑脱效应的影响。建立了考虑滑脱效应的气、水两相页岩气藏渗流数学模型,并建立了理想地质模型,采用数值模拟方法,研究了水力压裂的不同裂缝参数对水平井产能的影响。模拟结果表明:裂缝条数、长度和间距是影响页岩气井产能的重要参数,而裂缝宽度和渗透率对产能的影响相对较弱;页岩气井的产能随着裂缝条数和裂缝长度的增加而增大;水平井的水平段长度及裂缝条数一定时,可通过增大裂缝间距来减少裂缝间的相互干扰。      

离散裂隙网络对页岩气井产能影响的数值模拟

页岩作为典型的非常规储层,基质孔隙小,渗透率极低,水平井多级水力压裂为其商业开发的主要手段。准确模拟页岩气产能,应同时考虑水力裂隙和天然裂隙的渗流。基于离散裂隙模型和等效连续模型建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法进行数值求解,研究不同走向裂隙组对页岩气井产能的影响。研究认为,页岩基质为气体的生产提供了主要气源,天然裂隙作为渗流的主要通道,将气体输送到水力裂缝,进而到达井筒。模拟结果表征,离散裂隙的渗流特征对于页岩气井的产能有重要影响。根据页岩储层的天然裂隙走向,可以优化相应的水平井方位。对于二维离散裂隙网络模型,水平井沿着2个裂隙组夹角的平分线更有利于生产。      

页岩气藏体积压裂有效改造体积计算方法

页岩气藏矿场压裂实践表明,储层有效改造体积（effective stimulated reservoir volume,简称ESRV）是影响页岩气藏体积压裂水平井生产效果的关键因素,ESRV的准确计算对页岩气藏压裂方案评价与体积压裂水平井产量预测具有重要作用.基于页岩储层改造体积（stimulated reservoir volume,简称SRV）多尺度介质气体运移机制,建立了SRV区域正交离散裂缝耦合双重介质基质团块来表征单元体渗流模型（representation elementary volume,简称REV）,并结合北美页岩储层实例研究了次生裂缝间距、宽度等缝网参数对页岩气藏气体运移规律的影响.在此基础上根据SRV区域次生裂缝分布特征,采用分形质量维数定量表征裂缝间距分布规律,结合页岩气藏次生裂缝间距对基质团块内流体动用程度的影响规律,得到了页岩气藏体积压裂ESRV计算方法.结果表明SRV区域次生裂缝间距对基质团块内吸附及自由气影响较大,次生裂缝间距小于0.20 m时可以实现SRV区域基质团块内流体向各方向裂缝的"最短距离"渗流.选取北美典型页岩储层生产井体积压裂数据进行ESRV计算,页岩气藏目标井ESRV占体积压裂SRV的37.78%.因此ESRV受改造区域次裂缝分布规律及SRV有效裂缝间距界限的影响,是储层固有性质及人工压裂因素综合作用的结果.      

地应力地震预测及其在南川页岩气开发中的应用

页岩气藏具有低孔隙度、低渗透率的特点,大规模开采页岩气需通过水平井压裂技术实现页岩储层的改造。有数据表明:页岩气水平井方位与最大水平主应力近垂直,且水平地应力差异比较小时,有利于压裂形成网状裂缝,提高储层改造效果。针对南川工区建立地应力预测模型,在精细的三维地震解释、三维地震叠前反演的基础上,利用井点数据模拟选取应力计算的区域适应性参数,开展地应力场的三维模拟,预测最大水平主应力方向、最小水平主应力方向以及水平应力差异系数;通过区域应力机制分析以及钻井实测诱导缝解释结果和应用情况对比分析,验证了地应力地震预测结果的可靠性,证实了地应力研究在页岩气开发中的重要作用。     

考虑断裂韧性影响的页岩气储层可压性评价方法

可压性是衡量页岩气储层对压裂改造响应程度的重要依据,目前针对页岩可压性常用脆性指数对其进行评价。但在实际运用中存在脆性指数相近,实际压裂效果却差别甚远的问题。为了弥补利用脆性指数进行页岩气储层可压性评价的不足,在考虑断裂韧性影响的基础上引入临界机械能释放率,综合了Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧性对岩石裂缝发育的影响,并定义平均临界机械能释放率。最后结合平均临界机械能释放率和脆性指数,初步建立了以裂缝发育指数为量化指标的页岩气储层可压性评价模型。基于焦石坝龙马溪组焦页48-2HF井测井资料,计算出其弹性模量、泊松比、Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧性,并根据构建的裂缝发育指数模型,得出页岩储层可压性随埋深的变化关系。结合现场微震资料,验证了该模型能有效预测页岩气储层可压性随埋深的变化趋势,为页岩气实际开发过程中优选页岩储层压裂段提供可靠方法。      

淮北芦岭煤矿煤层顶板水平井煤层气抽采效果分析

淮北芦岭煤矿为高瓦斯突出矿井,煤层碎软低渗,瓦斯抽采困难。应用“十二五”期间开发的紧邻煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采技术,试验井已取得产气突破。为了深入分析评价地面煤层气抽采对煤矿瓦斯灾害的防治效果,基于目标煤层特征,分析煤层顶板水平井的产气规律,利用产能数值模拟技术,对生产井数据进行了历史拟合,在此基础上,进行水平井产能预测,分析水平井抽采过程中煤层气含量和储层压力变化趋势。结果表明:水平井抽采影响范围主要为裂缝和近井筒区域,井筒-裂缝系统外部区域受影响较小;水平井影响范围随抽采时间的延长逐渐增大,预测1、3、5、8、10 a的影响面积分别为0.113、0.193、0.242、0.311、0.350 km2;随着水平井抽采时间的延长,剩余含气量和储层压力逐渐降低,预测水平井抽采5 a,水平井控制范围内瓦斯含量最低可降至2.86 m3/t,平均可降至4.2 m3/t,降低50.6%。储层压力最低可降至0.85 MPa,平均可降至2.30 MPa,降低66.2%。煤层顶板水平井技术对煤层气开发和瓦斯灾害防治效果显著,是实现碎软低渗煤层瓦斯地面预抽的有效手段。      

页岩气储层研究新进展

随着页岩储层研究的不断深入,取得了一系列重要进展和认识,主要体现在对页岩储层孔隙空间类型、储层物性控制因素以及页岩气预测与评价3方面。主要的认识有:①页岩储层中的纳米孔隙及微裂缝是重要的储集空间;②矿物组成是影响储层储集性能及产能的重要因素,黏土矿物含量是影响页岩气吸附性及孔隙大小的主要因素,而脆性矿物可以有效改善储层物性并提高压裂的成功率;③有机质含量和热成熟度是影响页岩储层有机质纳米孔隙发育的关键因素;④基于页岩岩性精细划分,可以根据页岩储层岩性及岩相层段预测有利层段;⑤提出了利用层序地层学的方法对页岩储层进行研究的理念。这些成果和认识推动了页岩气储层研究的步伐,但仍存在许多科学难题尚未解决。     

贵州岑巩TX 1井牛蹄塘组页岩压裂效果评价

TX1井是四川盆地外围第一口针对牛蹄塘组页岩压裂的井,岩心现场解析含气量为1.00~3.06m3/t,含气性较好,展现了较好的勘探前景.但复杂构造以及下部含水层对后期储层改造提供了挑战.对TX1井进行了压裂改造,返排过程中气体点火2~3m,但后期一直出水,返排率大于100%.利用Meyer软件进行压裂拟合评价,结果显示TX1井在压裂过程中因沟通了底部高含水层,导致压后出水严重;压裂改造未形成复杂的裂缝网络,限制了储层改造的效果.因此认为直井压裂改造受体积的限制,只能作为对页岩储层含气性与产能的评价手段,页岩气商业性开发还需通过水平井钻井和大规模的分段压裂改造来实现.该井的钻探施工与压裂改造经验为本地区下一步勘探开发指明了方向.      

叠前弹性参数反演在龙马溪组页岩脆性预测中的应用

页岩气储层的可压裂性对其研究开发影响很大,脆性是评价可压裂性的重要指标,进行页岩气储层脆性预测,可以为水平井设计和压裂工艺提供技术方案。目前页岩气储层脆性评价的主要方法是取心矿物分析法、测井解释脆性评价法、叠前地震资料反演法等方法。前两种方法只能够根据测井解释资料获取纵向上的脆性信息,而横向展布规律难以评价,叠前地震资料反演技术可以获得页岩气储层横向上的脆性展布规律,有利于设计良好的水平井。这里以川南地区龙马溪组页岩气储层为载体,通过分析测井取心脆性矿物含量和岩石物理参数优选,确定了脆性的评价标准及地震评价参数,通过叠前弹性参数反演获得龙马溪组页岩储层的弹性参数体,按照评价标准和评价参数得到龙马溪组页岩脆性的空间分布特征,从而为水平钻井提供技术保障,有助于页岩气储层的"甜点"评价。通过与已知区的对比,说明预测效果较好,所提出的方法和流程具有较强的应用价值和推广价值。     

页岩储层构造应力场模拟与裂缝分布预测方法及应用

裂缝是页岩气富集高产的关键因素。页岩储层相对于其他类储层,其塑性相对较强,非构造裂缝比较发育。构造裂缝除了高角度的张性裂缝以外,还发育有较多近水平的层理缝和低角度构造滑脱缝等。针对页岩储集层的特点和裂缝发育特征,从地质成因的角度,明确了页岩储层构造应力场模拟数值模拟与裂缝分布预测的方法,其核心在于建立模拟地区目的层的精确地质模型、力学模型和计算模型。利用页岩的单轴和三轴压缩变形试验和声发射古、今地应力测试结果进行应力场数值模拟,获得研究区构造应力场分布,将应力场模拟果与实际地质资料对比分析,进一步检验校正已建立地质模型的合理性;在此基础上,针对富有机质页岩主要发育张裂缝和剪裂缝的特殊性,分别采用格里菲斯、库伦摩尔破裂准则计算页岩储层张破裂率、剪破裂率,依据张裂缝与剪裂缝所占的比例关系,求取页岩储层的综合破裂率,据此分别定量表征页岩储层中张裂缝、剪裂缝和构造裂缝的发育程度及分布特征;并在全面考虑影响页岩储层裂缝发育程度的综合破裂率、脆性矿物含量、有机碳含量多种主控因素的基础上,进一步提出了页岩“裂缝发育系数”作为最终判别指标,综合定量表征页岩储层裂缝的发育程度和预测裂缝的分布,页岩裂缝发育系数越大,裂缝发育程度则越高。该方法在我国渝东南地区下志留统龙马溪组页岩储层裂缝分布预测中得到了有效应用。此不仅为页岩气甜点优选提供了一种新的技术方法,而且模拟成果对页岩气水平井和压裂改造方案的设计具有重要的参考价值。     

井筒与油藏耦合的压裂水平井非稳态产能计算模型

为了准确预测压裂水平井的产量,综合考虑流体在储层、井壁、压裂裂缝、射孔孔眼以及水平井筒中的流动过程,根据势叠加原理,建立了考虑射孔孔眼、压裂裂缝生产干扰作用下的井筒、油藏耦合压裂水平井非稳态产能计算模型。结果表明:只考虑裂缝生产与裂缝、孔眼同时生产时的水平井产量在生产初期差别较大,生产后期差别变小;由于裂缝、孔眼的干扰,水平井筒两端裂缝的产量高于中间裂缝的产量;由于井筒摩阻作用,关于水平井筒中心对称的裂缝流量不相等;随着裂缝长度增加,裂缝、射孔孔眼、水平井产量增大;随着裂缝导流能力增加,裂缝产量增大,射孔孔眼产量降低,水平井产量增大;射孔段越长,孔眼与裂缝的干扰愈强,单个孔眼的产量降低,但由于射孔数增加,水平井产量增大;射孔深度增加,压裂水平井产量增加。     

致密低渗透储层裂缝研究进展

我国致密低渗透储层的油气资源量巨大,但储层基质物性差,非均质性强,天然裂缝发育,勘探与开发难度大。天然裂缝是致密低渗透储层的有效储集空间和主要渗流通道,控制了这类油气藏的成藏、单井产能及开发效果,天然裂缝分布规律研究对致密低渗透油气藏的勘探和开发至关重要。在阅读国内外大量文献的基础上,系统地综述了致密低渗透储层裂缝研究中涉及的储层裂缝成因类型、控制因素、储层裂缝参数表征方法、裂缝有效性影响因素与评价方法、天然裂缝与人工裂缝的耦合关系等研究现状,探讨了现阶段储层裂缝研究中存在的问题及进一步需要开展的工作。非常规储层裂缝的形成机理与主控因素、多学科相结合的高精度裂缝井间预测及裂缝三维地质建模、裂缝的分级评价及有效性评价将是近期裂缝研究的重点。     

煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式研究

针对煤矿碎软低渗煤层,提出了煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式。通过建立应力-渗流-损伤耦合的理论模型,运用数值模拟的方法模拟了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程,结果表明紧邻煤层顶板岩石的裂缝能够延展至煤层,且在顶板岩石的撕裂作用下,煤层内的裂缝能够快速延展。应用产能模拟的方法对分段压裂水平井的产能进行了模拟,分析瓦斯抽采的效率,优选了分段压裂的压裂缝长度、压裂段数,认为在淮北矿区祁东煤矿的地质条件下,压裂裂缝的长度为80 m,裂缝间距为63 m,抽采效果最佳。通过工程验证,说明煤层顶板水平井分段压裂技术是国内碎软低渗煤层地面瓦斯高效抽采的有效模式。     

延川南区块深部煤层气U型分段压裂水平井地质适用性研究

深部煤层渗透性普遍较差,直井压裂开发单井产量低效果不甚理想,而U型水平井分段压裂开发煤层气技术已取得很好的效果。该项技术试验前必须进行适合该井型的地质评价。以鄂尔多斯盆地东缘延川南区块为例,首先分析影响水平井压裂产能的地质因素,主要为单井控制资源量、储层渗透性和煤层气解吸难易程度,其中单井控制资源量受含气量和煤层厚度影响,渗透性与煤层埋深、构造及煤体结构等有关,碎裂煤发育区渗透性相对好。而后假定吸附性能不变的前提下,利用数值模拟方法分别模拟了不同渗透率、含气量和煤层厚度条件下水平井压裂的产气情况,模拟结果表明水平井压裂后累计产气量与渗透率、含气量、煤层厚度正相关。最后在经济效益评价的基础上,查明适合水平井压裂的地质条件:渗透率>0.25×10–3μm2,含气量>12.3m3/t,煤层厚度>2.9m。该地质适用性评价标准在现场得到广泛应用,并收到了良好的开发效益。      

水平井压裂储层应力场分布模拟方法

在研究分析水力压裂对储层岩石力学特性参数影响的基础上,提出一种压力储层应力场分布模拟计算方法。通过建立水平井储层原地应力场模型和水力压裂产生人工裂缝诱导应力场模型,并且利用实际的水力压裂测井参数对储层原地应力场和压裂产生裂缝诱导应力场分布进行了模拟计算。模拟计算结果表明,压裂产生人工裂缝会对储层应力场分布造成很大影响;压裂后储层应力主要在裂缝周围得到积累,并且距离裂缝越远,应力值积累越少;压裂生成裂缝长度也会影响储层应力场分布,裂缝越长,裂缝诱导应力场减小越慢。     

页岩储层体积压裂缝网形成的主控因素及评价方法

页岩储层的体积压裂能有效沟通天然裂缝使其形成缝网系统,极大地提高了页岩气的产能,让页岩气的开采尽快获得经济效益,因此对体积压裂缝网形成研究显得尤为重要,在对国内外大量页岩储层测试数据和体积压裂缝网形成研究成果全面系统调研和深入分析总结的基础之上,认为页岩储层体积压裂缝网的形成主要受控于3个方面的因素:1储层本身质量好,高的脆性矿物含量、杨氏模量,低的断裂韧度、泊松比、应力衰减速率和储层敏感性等,即储层的可压裂性越高,越易形成缝网;2地质背景条件优越,低的应力各向异性、天然裂缝发育、小的逼近角等,利于压裂裂缝延伸并扩展成缝网;3压裂工程措施适当,包括起裂方位和压力、支撑剂及压裂液性能、施工液量及排量等施工参数设计合理,有利于水力裂缝的充分扩展;另外,对以上控制因素的评价方法主要有室内实验、软件数值模拟及现场监测等,这些认识对体积压裂缝网形成机理研究及压裂优化设计具有重要的理论价值和实践意义。     

页岩水平井多段分簇压裂起裂压力数值模拟

页岩储层孔隙度和渗透率极低,天然裂缝和水平层理发育,常规压裂增产措施无法满足页岩气的开发要求,水平井多段分簇压裂是页岩气开发的关键技术之一,该技术能够大幅度提升压裂改造的体积、产气量和最终采收率。为确定页岩储层水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力,采用有限元方法建立了水平井套管完井（考虑水泥环和套管的存在）多段分簇射孔的全三维起裂模型。数值模型的起裂压力与室内试验结果吻合较好,证明了数值模型的准确性和可靠性。利用数值模型研究了页岩水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力的影响因素,研究发现：射孔孔眼附近无天然裂缝或水平层理影响,起裂点发生在射孔簇孔眼的根部;射孔簇间距越小,中间射孔簇的干扰越大,可能造成中间的射孔簇无法起裂;射孔密度和孔眼长度增大,起裂压力降低;天然裂缝的存在,在某些情况能够降低起裂压力且改变起裂位置,主要与天然裂缝的分布方位及水平主应力差有关;水平层理可能会降低起裂压力,但与垂向主应力与水平最小主应力的差值有关。获得的起裂压力变化规律,可作为进一步研究水平井多段分簇射孔条件下的裂缝扩展规律的基础,可以为压裂设计和施工的射孔参数确定及优化给出具体建议。